KR20200042775A - 광대역 신호를 이용하는 무선 통신 시스템에서의 신호 보정 장치 - Google Patents

Abstract

광대역 신호를 이용하는 무선 통신 시스템에서의 신호 보정 장치가 제공된다. 신호 보정 장치의 제1 믹서는 상기 무선 통신 시스템의 송신부와 수신부의 송수신 주파수 차이에 대응하는 신호를 출력하며, 제2 믹서는 상기 제1 믹서로부터 출력되는 신호와 상기 송신부에 의해 송신되는 송신 신호를 믹싱하여 출력한다. 그리고 필터는 상기 제2 믹서에서 출력되는 신호에서 중심 주파수를 기준으로 제1 일측면에 위치되는 신호만을 통과시켜 출력하여 상기 송수신 주파수 차이가 보정된 신호를 생성하고, 이를 상기 수신부로 제공한다.

Description

광대역 신호를 이용하는 무선 통신 시스템에서의 신호 보정 장치{Apparatus for compensating signal in wireless communication system using broadband signal}

본 발명은 신호 보정에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면, 광대역 신호를 이용하는 무선 통신 시스템에서의 신호 보정 장치에 관한 것이다.

5G 이동통신 서비스는 폭증하고 있는 트래픽에 대응하기 위해 기존 대비 1000배 이상의 시스템 용량을 요구하고 있고 많은 사용자를 수용하기 위한 소형셀이 증가함에 따라 무선 백홀(backhaul) 및 프런트홀(fronthaul)에 대한 수요가 급증하고 있다.

무선 백홀 및 프런트홀 시스템의 경우, 밀리미터파 5GHz이상의 대역을 사용할 수 있는 E-band를 이용한 시스템이 많이 사용되고 있다. 기존에는 수 Gbps급 전송을 위한 것으로 QPSK와 같은 비교적 낮은 신호대 잡음비로 시스템의 구현이 가능하였지만, 높아진 요구 전송 속도인 10Gbps급의 전송을 위해서는 128 QAM 이상의 고차변조 방식과 광대역 사용이 필수적이다.

그런데 일반적으로 1GHz이상의 광대역 신호를 사용하는 경우, 정확성을 부품 자체로 구현하기가 힘들기 때문에 높은 신호의 퀄리티를 위해서는 IQ 부정합에 대한 보정이 필수적이다. I채널과 Q 채널 사이에 위상과 이득 오차가 발생하는 이를 IQ 부정합(imbalance)라고 한다.

무선 백홀 및 프런트홀 시스템은 전이중 방식을 기본으로 하므로 송신 주파수와 수신 주파수가 달라서 IQ 신호 보정을 위해서는 추가적인 송신기나 수신기의 구성이 필요하거나 반대편 송수신 장치로부터 피드백을 받아야 한다. 하지만, 추가적인 송수신기 구성은 시스템이 복잡해지고 전력소모가 큰 단점이 있고, 피드백을 받는 경우에도 송신 IQ 부정합과 수신 IQ 부정합이 결합되어 나타나므로 보정 성능이 떨어지는 문제가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 송신기와 수신기의 IQ 믹서(mixer)에서 발생하는 IQ 부정합의 양을 추가적인 송신기나 수신기의 사용 없이, 추정하여 보정할 수 있는 장치 그리고 이를 이용한 무선 통신 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 특징에 따른 신호 보정 장치는, 광대역 신호를 이용하는 무선 통신 시스템에서의 신호 보정 장치로서, 상기 무선 통신 시스템의 송신부와 수신부의 송수신 주파수 차이에 대응하는 신호를 출력하는 제1 믹서; 상기 제1 믹서로부터 출력되는 신호와 상기 송신부에 의해 송신되는 송신 신호를 믹싱하여 출력하는 제2 믹서; 및 상기 제2 믹서에서 출력되는 신호에서 중심 주파수를 기준으로 제1 일측면에 위치되는 신호를 통과시켜 출력하여 상기 송수신 주파수 차이가 보정된 신호를 생성하고, 이를 상기 수신부로 제공하는 필터를 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 밀리미터대와 같은 높은 주파수를 이용하는 광대역 고정 점대점 및 점대다점 무선 통신 시스템에서, 고차변조 방식을 사용하기 위한 고성능 송수신기 구성시 문제가 되는 IQ 부정합으로 인한 성능 열화를 보상할 수 있다. 또한, 기본적인 송수신 구조에서 추가적인 송신기나 수신기의 구성 없이 간단한 회로 구성으로 구현이 가능하고 IQ 부정합을 보정할 수 있는 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 장치는, 간단한 구조로 송수신 IQ 부정합을 모두 보정할 수 있고, 피드백 없이 자체적으로 IQ 부정합의 보정이 가능한 장점이 있다.

또한, 복잡한 신호 처리 없이 신호의 크기만을 측정하여도 IQ 부정합을 추정하고 보정할 수 있어, 통신 분야뿐만 아니라 레이더, RF센서 등과 같은 IQ 믹서를 사용하는 다양한 RF 송수신기에 적용이 가능하다.

도 1은 E-band 무선 통신 시스템의 구조를 나타낸 도이다.
도 2는 IQ 부정합에 따른 간섭 신호의 양을 예시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템의 구조를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 신호 보정부의 구조를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 IQ 부정합의 보정을 위한 보정 신호를 나타낸 예시도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 명세서에서 단수로 기재된 표현은 "하나" 또는 "단일" 등의 명시적인 표현을 사용하지 않은 이상, 단수 또는 복수로 해석될 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 신호를 이용하는 무선 통신 시스템에서의 신호 보정 장치와 이를 이용한 무선 통신 시스템에 대하여 설명한다.

도 1은 E-band 무선 통신 시스템의 구조를 나타낸 도이다. 구체적으로 도 1은 직접 변환 방식의 E-band 무선 통신 시스템의 구조를 나타낸 도이다.

E-band 무선 통신 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 송신 장치(1)와 수신 장치(2)를 포함한다.

송신 장치(1)의 송신 기저대역 처리부(11)는 I 채널의 신호(I 신호) 및 Q 채널의 신호(Q 신호)를 생성한다. 높은 동작주파수를 가지는 ADC(analog to digital converter)/DAC(digital to analog converter)는 전력소모도 크고 광대역 특성이 나쁘며 가격도 높아서, 넓은 대역폭을 사용하기 위해 송신 기저대역 처리부(11)에서 I 신호 및 Q 신호를 따로 생성한다.

송신 장치(1)의 송신 기저대역 처리부(11)에서 생성된 I 신호 및 Q 신호는 DAC(12)에 의해 아날로그 신호로 변환되고, 필터(예: LPF(low pass filter))(13)에 의해 필터링된 다음에, 아날로그 방식의 IQ 믹서(14)를 통해 믹싱되면서 상향 변환되고, 고출력 증폭기(14)를 통해서 증폭된 다음에 듀플렉서(3) 및 안테나(4)를 통해 방사된다.

이와 마찬가지로 안테나(4)에 의해 수신된 신호는 수신 장치(2)의 저잡음 증폭기(21)를 거쳐서 아날로그 방식의 IQ 믹서(22)에서 하향 변환된 후에 필터(23)에 의해 필터링된 다음에, ADC(24)를 통해서 디지털로 샘플링되고 수신 기저대역 처리부(25)에 의해 복조된다.

이러한 밀리미터파를 이용하는 무선 통신 시스템에서, RF 부품의 오차에 의한 특성 열화가 심하게 나타나는데 그 중에서도 IQ 믹서에서 발생하는 IQ 부정합은 신호의 이미지 성분을 발생시킨다. 아날로그 방식의 IQ 믹서를 사용할 때 부품 자체의 부정합과 회로 구성시 레이아웃의 비대칭에 의해서, I 채널과 Q 채널 사이에 위상과 이득의 오차가 발생하는데, 이를 IQ 부정합이라고 한다. 이러한 IQ 부정합에 의해 발생되는 신호의 이미지 성분은 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, G는 크기의 오차값이고 Φ는 위상 오차 값이다.

도 2는 IQ 부정합에 따른 간섭 신호의 양을 예시한 그래프이다.

첨부한 도 2에 예시된 바와 같이, 128 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 이상의 고차 변조를 위한 30dB 이하의 간섭 신호를 위해서는, 크기 오차가 0.5dB일 때 위상 오차 1도 미만의 특성을 요구한다.

일반적으로 1GHz 이상의 광대역 신호를 사용하는 경우 이 정도의 정확성을 부품 자체로 구현하기가 힘들기 때문에 높은 신호의 퀄리티를 위해서는 IQ 부정합에 대한 보정이 필수적이다.

밀리미터파 광대역 신호를 사용하는 대용량 고정 무선 시스템은 아날로그 방식의 IQ 믹서를 사용할 때 부품 자체의 부정합과 회로 구성시 레이아웃의 비대칭에 의해서 IQ 부정합이 발생하므로 이에 따른 성능 손실이 크다. 또한, 일반적인 무선 백홀 및 프런트홀 시스템은 전이중 방식을 기본으로 하므로 송신 주파수와 수신 주파수가 달라서 자체 송수신 장치만으로 보정이 어렵다.

본 발명의 실시 예에서는 송신 장치와 수신 장치의 IQ 믹서에서 발생하는 IQ 부정합의 양을 간단하게 추정하고 보정한다. 특히, 추가적인 장치(예를 들어, 추가적인 송신기나 수신기)의 사용 없이, IQ 부정합의 양을 추정하고 보정한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템의 구조를 나타낸 도이다.

첨부한 도 3에 도시되어 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템(10)은 송신부(100) 및 수신부(200)를 포함하며, 추가적으로, 신호 보정부(300)를 포함한다. 또한 송신부(100)에서 처리된 신호는 듀플렉서(400) 및 안테나(500)를 통해 송신되며, 안테나(500)를 통해 수신된 신호는 듀플렉서(400) 및 수신부(200)에 의해 처리된다.

송신부(100)는, 송신 기저대역 처리부(110), DAC(120), 필터(130), IQ 믹서(140), 송신 오실레이터(150) 및 증폭기(160)를 포함한다. 여기서 DAC(120)와 필터(130)는 I 신호 및 Q 신호를 각각 처리하는 복수의 DAC 및 복수의 필터를 각각 포함하며, 설명의 편의상, 하나의 도면 부호 "120" 및 "130"을 부여한다.

수신부(200)는, 수신 기저대역 처리부(210), ADC(220), 필터(230), IQ 믹서(240), 수신 오실레이터(250), 및 증폭기(260)를 포함한다. 여기서 ADC(220)와 필터(230)는 I 신호 및 Q 신호를 각각 처리하는 복수의 ADC 및 복수의 필터를 각각 포함하며, 설명의 편의상, 하나의 도면 부호 "220" 및 "230"을 부여한다.

신호 보정부(300)는 송신 오실레이터(150)와 수신 오실레이터(1250) 사이에 위치되어 IQ 부정합을 보정한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 신호 보정부의 구조를 나타낸 도이다.

본 발명의 실시 예에 따른 신호 보정부(300)는 제1 믹서(310), 제1 필터(320), 제2 믹서(330), 제1 스위치(340), 제2 필터(350), 및 제2 스위치(360)를 포함한다.

신호 보정부(300)는 송신부(100)로부터의 송신 신호를 아날로그 방식의 IQ 믹서의 출력에서 커플링하여 송수신 주파수의 차이를 보정하는 주파수 옵셋 보상 믹서를 거쳐서 수신부(200)로 커플링시켜, 수신부(200)의 IQ 믹서(240)로 입력되도록 한다.

구체적으로, 제1 믹서(310)는 송신 오실레이터(150)로부터의 신호와 수신 오실레이터(160)로부터의 신호를 1차 믹싱하여 송수신 주파수 차이 신호를 출력한다. 제2 믹서(330)는 제1 믹서(310)로부터의 신호를 송신 신호(송신부(200)의 IQ 믹서(140)로부터 출력되는 신호)와 2차 믹싱하여 수신 주파수로 변환한다. 이때, 제1 필터(320)가 제1 믹서(310)로부터의 신호를 필터링하여 제2 믹서(330)로 제공할 수 있다.

제2 믹서(330)로부터 출력되는 신호는 제1 스위치(350) 및 제 2 스위치(360)를 통하여 수신부(200)의 IQ 믹서(240)로 제공된다.

이와 같이, 송신 고출력 증폭기(160)의 전단에서 신호를 추출하고 수신 저잡음 증폭기(260)의 후단에서 신호를 궤환함으로써, RF의 비선형 특성을 최소화 할 수 있다. 또한 자체적으로 송수신 루프를 만들어 줌으로써 피드백 신호가 필요하지 않는다. 그러므로 추가적인 송수신기나 LO 발생기 없이, 신호 보정부를 구성하여 IQ 부정합을 보정할 수 있다.

송수신 루프를 모두 거쳐서 IQ 부정합을 보정할 경우 송신 IQ 부정합과 수신 IQ 부정합이 결합되어 나타나게 된다. 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 옵셋 보상이 적용된 신호 보정부(300)의 제2 믹서(330)의 출력에 신호 중심 주파수의 한쪽 편만을 통과하는 필터 즉, 제2 필터(350)를 적용하여 송신 아날로그 방식의 IQ 믹서에 의해서 발생된 이미지 신호를 필터링한다. 이와 같이 송신부의 IQ 믹서에 의해 발생된 이미지 신호가 필터링된 신호가 제2 스위치(360)를 통해 수신부(200)의 IQ 믹서(240)로 제공된다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 IQ 부정합의 보정을 위한 보정 신호를 나타낸 예시도이다.

본 발명의 실시 예에 따른 보정 신호 즉, 제2 믹서(330)로부터 출력되는 송수신 차이 주파수를 보정하기 위한 보정 신호는 도 5의 (a)와 같이 중심을 기준으로 겹치지 않게 한쪽편에 위치되는 기준 신호와, 중심을 기준으로 반대편에 생성되는 널(Null) 신호를 포함한다.

IQ 부정합은 이와 같이 신호의 반대편에 이미지 신호를 만들어 내므로 복잡한 신호처리 없이 널 신호의 부분에 발생하는 이미지 신호의 크기를 측정하는 것만으로 IQ 부정합 양을 추정할 수 있다. 그리고 이를 반복하여 수행하여 최적의 보정 값을 찾아 낼 수 있다.

따라서, 도 5의 (a)와 같은 형태의 보정 신호를 신호 중심 주파수의 한쪽 편만을 통과하는 제2 필터(350)에 적용시켜, 송신부(100)의 IQ 믹서(140)에 의해서 발생된 이미지 신호를 필터링함으로써, 도 5의 (b)와 같이 필터링된 보정 신호를 획득한다. 이와 같이, 획득된 필터링된 보정 신호는 송신부의 IQ 믹서로 제공된다.

송신부의 IQ 믹서에 의해 발생된 이미지 신호가 필터링된 보정 신호가 수신부로 제공됨에 따라, 수신부의 IQ 믹서에 의해 발생한 IQ 부정합 값을 정확히 추정할 수 있다. 이를 통해서, 수신 IQ 부정합의 값을 먼저 추정한 후 송수신 결합 IQ 부정합 값을 추정하는 방식을 사용하면, IQ 부정합의 문제를 해결할 수 있다.

위와 같은 구조로 이루어지는 신호 보정부(300)는 "신호 보정 장치"라고도 명명될 수 있으며, 신호 보정부(300)의 제2 필터(350)는 이미지 리젝션(image rejection) 필터라고도 명명될 수 있다.

이러한 구조로 이루어지는 본 발명의 실시 예에 따른 송수신 시스템의 동작은 다음과 같다.

송신부(100)의 송신 기저대역 처리부(110)는 I 채널의 신호(I 신호) 및 Q 채널의 신호(Q 신호)를 생성하며, I 신호 및 Q 신호는 DAC(120)에 의해 아날로그 신호로 변환되고, 필터(예: LPF(low pass filter))(130)에 의해 필터링된 다음에, 아날로그 방식의 IQ 믹서(140)를 통해 믹싱되면서 상향 변환되고, 고출력 증폭기(160)를 통해서 증폭된 다음에 듀플렉서(400) 및 안테나(500)를 통해 방사된다.

한편, 안테나(500)에 의해 수신된 신호는 수신부(200)의 저잡음 증폭기(260)를 거쳐서 아날로그 방식의 IQ 믹서(240)에서 하향 변환된다. 이때, 신호 보정부(300)로부터 송수신 주파수의 차이를 보정하기 위한 신호가 IQ 믹서(240)로 입력된다. 특히, 송수신 차이 주파수를 보정하기 위한 보정 신호에서 송신부의 IQ 믹서에 의해 발생된 이미지 신호가 필터링된 보정 신호가 수신부(200)의 IQ 믹서(240)로 입력된다.

따라서, 저잡음 증폭기(260)로부터 출력되는 신호와 신호 보정부(300)로부터의 보정 신호가 IQ 믹서(240)로 입력된다.

IQ 믹서(240)는 수신되어 저잡음 증폭기(260)로부터 출력되는 신호와 신호 보정부(300)로부터의 보정 신호를 믹싱하여 하향 변환하여 출력하며, 출력된 신호는 필터(230)에 의해 필터링된 다음에, ADC(220)를 통해서 디지털로 샘플링 되고 수신 기저대역 처리부(210)에 의해 복조된다.

송신부의 IQ 믹서에 의해 발생된 이미지 신호가 필터링된 보정 신호가 수신부로 제공됨에 따라, 수신부의 IQ 믹서에 의해 발생한 IQ 부정합 값을 정확히 추정하여 필터(230)를 통해 수신부의 IQ 믹서에 의해 발생한 이미지 신호를 필터링시킬 수 있다. 이에 따라, 송신 IQ 부정합과 수신 IQ 부정합이 결합되는 문제를 해결할 수 있다.

이러한 본 발명의 실시 예에 따르면, 기본적인 송수신 시스템에서 송신부의 IQ 믹서의 출력을 커플링하여 송수신 주파수의 차이를 보정하는 주파수 옵셋보상 믹서(제2 믹서)를 거쳐서 수신부로 입력하면서, 비대칭 널 신호를 사용함으로써, 별도의 추가적인 구성요소 없이, 송수신 IQ 부정합을 모두 보정할 수 있으며, 복잡한 신호 처리 없이 신호의 크기만을 측정하여도 IQ 부정합을 추정하고 보정할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (1)

1. 광대역 신호를 이용하는 무선 통신 시스템에서
   상기 무선 통신 시스템의 송신부와 수신부의 송수신 주파수 차이에 대응하는 신호를 출력하는 제1 믹서;
   상기 제1 믹서로부터 출력되는 신호와 상기 송신부에 의해 송신되는 송신 신호를 믹싱하여 출력하는 제2 믹서; 및
   상기 제2 믹서에서 출력되는 신호에서 중심 주파수를 기준으로 제1 일측면에 위치되는 신호를 통과시켜 출력하여 상기 송수신 주파수 차이가 보정된 신호를 생성하고, 이를 상기 수신부로 제공하는 필터
   를 포함하는 신호 보정 장치.

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